2001-2015年伊犁河谷草地蒸散發(fā)時(shí)空變化分析

閆俊杰, 付秀東, 趙 玉, 劉 影, 呂光輝, 崔 東, 劉海軍

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.中國(guó)科學(xué)院 新疆生態(tài)與地理研究所, 烏魯木齊 830011; 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049; 4.伊犁師范大學(xué), 新疆 伊寧 835000)

全球草地面積34億hm2(FAO，1991年)，約占陸地表面積的24%，是陸地表面生態(tài)組成的關(guān)鍵部分，然而目前，全球約有一半的草地已處于退化或正在退化的狀態(tài)[1]，草地退化的環(huán)境效應(yīng)及對(duì)生態(tài)功能的影響被廣泛關(guān)注。蒸散發(fā)(Evapotranspiration，ET)是植被及地面向大氣輸送水汽的總通量[2]，是地表能量和水量平衡的關(guān)鍵環(huán)節(jié)及重要組成部分[3-4]，全球約有60%的地表凈輻射能量在蒸散發(fā)過程被消散[5]，約60%～65%的降水通過蒸散發(fā)返回到大氣[6-7]，其中80%左右通過植物的蒸騰作用實(shí)現(xiàn)[8]，研究退化草地蒸散發(fā)的時(shí)空動(dòng)態(tài)對(duì)掌握草地退化的生態(tài)效應(yīng)具有重要意義。

蒸散發(fā)長(zhǎng)期以來就是陸地表層水循環(huán)最難估算的分量[9]，自1802年Dalton提出蒸散發(fā)的計(jì)算方法至今[10]，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼發(fā)展了多種觀測(cè)和計(jì)算方法，如蒸滲儀、波文比和渦動(dòng)相關(guān)等觀測(cè)方法，以及水量平衡、互補(bǔ)相關(guān)模型，陸地表面模型和基于遙感數(shù)據(jù)的估算模型等計(jì)算方法[11]，其中基于遙感數(shù)據(jù)的方法是面向區(qū)域的蒸散發(fā)估算方法，其計(jì)算結(jié)果為蒸散發(fā)空間分布數(shù)據(jù)，減少了站點(diǎn)數(shù)據(jù)非均質(zhì)界面上尺度外推所造成的誤差[12-13]，是滿足全球和區(qū)域尺度蒸散發(fā)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的有效方法[14]，因而被廣泛關(guān)注和采用。起始于2000年的MODIS MOD16數(shù)據(jù)是由美國(guó)航空航天局(NASA)制作并公開發(fā)布的全球蒸散發(fā)成品數(shù)據(jù)集，被國(guó)內(nèi)外大量研究人員采用，用于全球及區(qū)域尺度ET時(shí)空動(dòng)態(tài)研究[15-17].

伊犁河谷地處歐亞大陸腹地，新疆西天山。河谷內(nèi)草地植被發(fā)育良好，是新疆優(yōu)質(zhì)畜牧基地，然而隨著社會(huì)發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)草地生態(tài)的干擾強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，草地生產(chǎn)能力逐步降低[18-19]，生態(tài)效益受損[19]。本文以伊犁河谷為研究區(qū)，利用2001—2015年MODIS ET和NDVI時(shí)間序列遙感數(shù)據(jù)，以及氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，分析伊犁河谷草地ET時(shí)空變化特征，及其與覆蓋度、氣溫和降水關(guān)系，以期為伊犁河谷生態(tài)保護(hù)與管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

伊犁河谷地理位置介于80°09′42″—84°56′50″E，42°14′16″—44°53′30″N，河谷呈東西直向，東高西低，西寬東窄，呈喇叭狀向西坦蕩展開，東部頂點(diǎn)為鞏乃斯河源頭，西部底邊朝向中哈邊界，科古琴—博羅克努山橫亙與河谷北部，中部為烏孫山，南部為哈爾克—那拉提山，山脈之間盆地、河谷、平原及丘陵廣布。受地形影響，河谷內(nèi)降水豐沛，被稱為西域濕島。伊犁河谷氣候溫帶大陸性氣候，但高山氣候特征明顯[20]，平原與山區(qū)氣候差異明顯[21]，年均降水量200～900 mm，年均氣溫2.9～9.1℃[22]。復(fù)雜的地形、多變的氣候及充沛的降水為植被的生長(zhǎng)提供了多樣的生境，河谷內(nèi)植被類型多樣，草地植被發(fā)育良好，分布有高寒草甸類、山地草甸類、溫性草甸草原類、溫性草原類、溫性荒漠草原類、溫性荒漠類及低平地草甸類等草地類型[23]。

2 材料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

ET數(shù)據(jù)來自MODIS MOD16A2數(shù)據(jù)集，時(shí)間序列2001年1月—2015年12月，時(shí)間和空間分辨率分別為8 d和1 000 m。NDVI 數(shù)據(jù)來自MODIS MOD13Q1數(shù)據(jù)集，時(shí)間序列與ET數(shù)據(jù)一致，其時(shí)間和空間分辨率分別為16 d和250 m。對(duì)獲得的ET及NDVI遙感數(shù)據(jù)除進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、鑲嵌、投影轉(zhuǎn)換及研究區(qū)提取等預(yù)處理外，還進(jìn)行了年累積ET數(shù)據(jù)及年最大值NDVI數(shù)據(jù)合成，以獲得年ET和NDVI數(shù)據(jù)。利用年NDVI數(shù)據(jù)和像元二分模型[24]，反演獲得年草地植被覆蓋度數(shù)據(jù)。

草地空間分布矢量數(shù)據(jù)通過對(duì)伊犁河谷2015年6—9月Landsat8 OLI影像的解譯獲得。對(duì)草地分布的矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格化處理，轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)。

2001—2015年的年累積降水和年平均氣溫?cái)?shù)據(jù)來自中國(guó)氣象信息中心。包括伊犁河谷之內(nèi)霍城、霍爾果斯、察布查爾、昭蘇、特克斯、伊寧市、伊寧縣、鞏留、新源和尼勒克及附近巴音布魯克共計(jì)11氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。利用Anusplin4.2軟件對(duì)獲得的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，獲得年累積降水和年平均氣溫空間分布數(shù)據(jù)。最后為保證多源數(shù)據(jù)的空間匹配，數(shù)據(jù)像元均重采樣為250 m×250 m。

2.2 差值分析

單個(gè)年份ET隨機(jī)波動(dòng)較大，為削弱這種隨機(jī)性對(duì)ET變化評(píng)估的影響，文中將2001—2015年序列數(shù)據(jù)分為了2001—2005年、2006—2010年及2011—2015年3個(gè)時(shí)間段，計(jì)算各個(gè)時(shí)段ET的5 a平均值，以平均值代表各個(gè)時(shí)段ET水平。并分別對(duì)2001—2005年與2006—2010年、2001—2005年與2011—2015年以及2006—2010年與2011—2015年的ET空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行差值運(yùn)算，分析2001—2010年、2001—2015年及2006—2015年3個(gè)時(shí)期草地植被ET變化特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 ET總體特征及其變化

根據(jù)15 a的平均數(shù)據(jù)，伊犁河谷草地ET等級(jí)以300～400 mm和400～500 mm為主，兩者所占比例分別為19.69%和43.21%(表1)。經(jīng)計(jì)算，近15 a內(nèi)伊犁河谷草地ET的平均值為400.57 mm(表2)，相對(duì)于新疆地表近15 a年間ET均值364.29 mm[1]，高出9.96%?？臻g上，就15 a平均來看(圖1)，伊犁河谷草地ET海拔分異明顯，ET <200 mm的區(qū)域主要分布在鞏乃斯河下游至伊犁河一線兩側(cè)的洪積沖積扇底部和低山丘陵區(qū)，ET為200～400 mm的分布區(qū)海拔有所提高，主要分布在鞏乃斯河中下游至伊犁河兩側(cè)洪積沖積扇，以及喀什河中下游兩側(cè)和特克斯河中下游兩側(cè)的低山丘陵區(qū)；而ET為400～600 mm的區(qū)域則主要分布在河谷東部、南部以及北部的高山區(qū)域；ET >600 mm的區(qū)域僅在河谷東部有部分分布。而ET為500～600 mm的區(qū)域主要分布在婆羅科努山脈以南和那拉提山脈以北的高山丘陵地帶及其鞏乃斯河上游與喀什河的下游(圖1)。

表1 草地植被ET均值及變化

表2 草地植被ET均值及其變化

2001—2005年、2006—2010年和2011—2015年3個(gè)時(shí)間段，伊犁河谷全區(qū)草地ET均值分別為426.41 mm，396.03 mm，379.26 mm，ET量逐步降低，2001—2005—2006—2010年減少7.13%，2006—2010—2011—2015年減少4.23%，15 a內(nèi)共降低了11.06%(表2)。根據(jù)表1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在各等級(jí)類型中，ET為300～400 mm的面積增加最多，面積由47.04萬(wàn)hm2增加到89.28萬(wàn)hm2，增加了42.24萬(wàn)hm2，增加比例達(dá)89.80%；而ET為500～600 mm的面積減少最多，由79.75萬(wàn)hm2減少到15.34萬(wàn)hm2，減少了64.41萬(wàn)hm2，減少比例為80.76%；ET為400～500 mm的幾乎無明顯變化。ET<200 mm的也有較大面積的增加，增加了27.52 萬(wàn)hm2，增加比例達(dá)到74.99%；ET >600 mm的面積減少了6.22萬(wàn)hm2，但減少比例高達(dá)94.82%?？梢?，近15 a年來伊犁河谷草地植被ET呈現(xiàn)ET高值(ET>500 mm)區(qū)域面積減少而ET低值(ET<400 mm)區(qū)域面積增加的變化趨勢(shì)，空間上，前者主要分布于鞏乃斯河上游、河谷北部的科古琴山與阿吾拉山南部以及昭蘇盆地周圍，后者主要分布于伊犁河河谷兩側(cè)山前鴻基沖擊扇區(qū)(圖1)。

3.2 ET變化的空間特征

從圖2可以看出，2001—2015年伊犁河谷絕大部分草地ET出現(xiàn)降低，根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)，15 a內(nèi)ET降低區(qū)域總面積高達(dá)306.35萬(wàn)hm2，占草地總面積的98.07%。其中以降低比例為10%～20%的面積最廣，面積為161.86萬(wàn)hm2，占草地總面積的51.82%，其主體分布在喀什河下游和伊犁河河谷兩側(cè)的洪積平原和低山區(qū)；降低比例為20%～30%和0%～10%的面積比例也分別達(dá)到了25.83%和1.88%，主體分布在科古琴山東南部以及特克斯河上游；降低比例為>30%的面積很小，僅占1.88%，主要在河谷北部低山丘陵和特克斯河中下游西北的低山區(qū)有零星分布。ET增加區(qū)域面積為6.03萬(wàn)hm2，僅占草地總面積的1.93%，僅在河谷西北部和東部有零星分布。

圖1 2001-2015年3個(gè)時(shí)段及15 a平均草地植被ET等級(jí)

圖2 草地植被ET變化等級(jí)空間分布

對(duì)于不同時(shí)期，由圖2中2001—2010年和2001—2015年兩個(gè)時(shí)期ET變化等級(jí)空間分布圖可知，伊犁河谷草地ET發(fā)生減少的面積在增強(qiáng)。其比例由86.35%增加到了98.07%(表3)，同時(shí)，ET減少程度也在加深。鞏乃斯河中下游至伊犁河出國(guó)境口一線兩側(cè)的很大區(qū)域，ET的減少比例由10%～20%或0%～10%加深到了20%～30%，而河谷北部、東部、南部和中部的中山和高山區(qū)內(nèi)的很大區(qū)域ET由增加或減少0%～10%變?yōu)榱藴p少20%～30%；具體來看，ET減少>20%的面積比例由6.47%增加到27.71%，ET減少為10%～20%的比例則由38.78%增加到了51.82%，而減少為0%～10%的比例則由49.10%減少到18.54%，同時(shí)ET不變和有所增加的面積比例也由13.65%減少到1.93%。

此外，由圖2中2001—2010年和2006—2015年兩個(gè)時(shí)期ET變化等級(jí)空間分布圖可知，2011—2015年，伊犁河谷ET變化在空間上發(fā)生了較大變化，鞏乃斯河中下游至伊犁河出國(guó)境口一線兩側(cè)的很大區(qū)域，ET的減少比例由>10%級(jí)別減弱為<10%級(jí)別和增加，表明這些區(qū)域ET的減少速率有所減緩；而河谷北部、東部及南部的中山和高山區(qū)域內(nèi)有很大面積的ET則由減少0%～10%或增加變?yōu)榱藴p少10%～20%，表明這些區(qū)域ET的減少速率有所增大，但全區(qū)ET平均減少速率在增大(表3，圖2)。

表3 草地植被ET變化等級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.3 ET與覆蓋度、氣溫及降水量關(guān)系

基于2001—2015年草地年ET和年覆蓋度空間分布數(shù)據(jù)，以及10個(gè)氣象站(不包括巴音布魯克氣象站)年平均氣溫和年累積降水量數(shù)據(jù)，分別計(jì)算其年平均值，繪制草地ET、覆蓋度、降水和氣溫年際變化曲線(圖3)。

由圖3可知，2001—2015年伊犁河谷草地覆蓋度、降水和氣溫均呈降低趨勢(shì)，促使ET也呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。但在年際波動(dòng)上，相對(duì)于降水和氣溫，ET與覆蓋度年際波動(dòng)高度一致(圖3A)；ET與降水年際波動(dòng)也較為一致，較大的差異存在于2010年、2011年和2014年(圖3B)；而ET與氣溫年際波動(dòng)的差異較大，兩者差異不僅表現(xiàn)在年際多動(dòng)的峰值和估值出現(xiàn)的年份上，且在2006—2010年，氣溫的5 a平均值均高于2001—2005年和2011—2015年的5 a平均值，氣溫出現(xiàn)先增高后降低的變化，而ET則呈持續(xù)降低的變化(圖3C)。同時(shí)，經(jīng)計(jì)算，ET與覆蓋度、降水量和氣溫的相關(guān)系數(shù)分別為0.96，0.61，0.09，草地ET年際變化與覆蓋度年際變化的相關(guān)性最高，可見，就整體的平均狀況而言，草地覆蓋度年際變化對(duì)其ET年際變化具有重要影響；而對(duì)于降水量和氣溫，降水年際變化與ET年際變化的相關(guān)性明顯高于氣溫年際變化與ET年際變化的相關(guān)性。

4 討 論

根據(jù)上文分析，伊犁河谷草地覆蓋較低的河谷平原區(qū)ET減小比例相對(duì)較高，而植被覆蓋較高的山區(qū)ET減小比例相對(duì)較小(圖2)，閆俊杰等[18]對(duì)伊犁河谷草地覆蓋度變化的分析結(jié)果表明，伊犁河谷草地覆蓋較低的河谷平原區(qū)也是草地覆蓋度減小比例相對(duì)較高的區(qū)域，且植被覆蓋較高的山區(qū)也是草地覆蓋度減小比例相對(duì)較小的區(qū)域，可見，ET變化與覆蓋度變化在空間上也具有較高的一致性。利用伊犁河谷草地ET和植被覆蓋度的15 a平均空間分布數(shù)據(jù)以及ET和覆蓋度15 a變化比例空間分布數(shù)據(jù)，分別繪制ET與覆蓋度以及ET變化比例與覆蓋度變化比例的散點(diǎn)圖(圖4)，進(jìn)一步分析ET與植被覆蓋度相關(guān)性的空間分異特征。

圖3 ET、覆蓋度、降水量和氣溫年際變化

圖4 ET與覆蓋度散點(diǎn)圖

由圖4A可知，ET隨覆蓋度的增加而逐步增加，表明在空間上植被覆蓋度高的區(qū)域其ET也高，經(jīng)計(jì)算，兩者相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.89(表4)，但對(duì)ET變化與覆蓋度變化的關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.50(表4)，同時(shí)由圖4B可以看出，覆蓋度變化比例由-25.00%縮減到-2.50%時(shí)，ET平均變化比例迅速由-23.00%縮減到-11.58%，ET平均減小比例隨覆蓋度減小比例的降低而縮減；覆蓋度變化比例為-90.00%～-25.00%時(shí)，ET平均減少比例雖然也逐步擴(kuò)大，但變化速率明顯減?。桓采w度變化比例由-2.50%變?yōu)?0.00%時(shí)，ET平均變化比例也快速由-11.58%變?yōu)?2.00%，但覆蓋度變化比例位于此范圍的區(qū)域面積較小，根據(jù)統(tǒng)計(jì)其面積比例為12.44%?？梢?，在空間上，覆蓋度變化不同時(shí)ET的變化存在差異。

對(duì)于降水和氣溫，同樣利用草地ET、降水量和氣溫的15 a平均空間分布數(shù)據(jù)，以及ET、降水量和氣溫的15 a變化比例空間分布數(shù)據(jù)，分別繪制ET與降水量及氣溫的散點(diǎn)圖(圖5A、圖6A)和ET變化比例與氣降水量化比例及溫變變化比例的散點(diǎn)圖(圖5B及圖6B)，分析ET與降水和氣溫相關(guān)性的空間分異特征。

圖5 ET與降水量散點(diǎn)圖

由圖5和表4可知，ET與降水量總體呈正相關(guān)，平均ET與平均降水量相關(guān)系數(shù)為0.59，而ET變化比例與降水量變化比例相關(guān)系數(shù)僅為0.10。同時(shí)ET與降水量關(guān)系也存在區(qū)域差異，其中降水量為295～645 mm的區(qū)域，ET總體隨降水量增加而增加，而降水量>645 mm的區(qū)域，ET總體隨降水量增加而減小；降水量變化比例為-19.50～12.50%的區(qū)域，ET平均減小比例隨降水量減小比例的縮減而逐步由12.44%擴(kuò)大到了17.48%，而降水量變化比例為-12.50%～5.00%的區(qū)域，ET平均減小比例隨降水量由減少轉(zhuǎn)變?yōu)樵黾佣鸩娇s減，比例由17.48%縮減為了9.84%。

圖6 ET與氣溫散點(diǎn)圖

平均ET與平均氣溫以及ET變化比例與氣溫變化比例的相關(guān)系數(shù)分別為-0.51和-0.25(表4)，呈負(fù)相關(guān)，而ET年際變化與氣溫年際變化相關(guān)系數(shù)雖僅為0.09，然而卻為正，此差異可能與ET與氣溫相關(guān)性較小且存在較大空間差異有關(guān)。由圖6A可知，對(duì)于平均氣溫為-9.00～3.00℃的區(qū)域，平均ET隨氣溫的增加由386.99 mm逐步增加到463.41 mm，溫度高的區(qū)域ET也高；對(duì)于平均氣溫為3.00～12.00℃的區(qū)域，平均ET隨氣溫的增加由463.41 mm逐步降低到126.59 mm，溫度高的區(qū)域ET反而較低。同時(shí)，由圖6B可知，2001—2015年伊犁河谷全區(qū)氣溫均發(fā)生不同程度降低(圖6中氣溫變化比例均<0)，對(duì)于氣溫減低比例大于47.99%的區(qū)域，其ET平均變化比例相對(duì)穩(wěn)定，在-12.00%左右；而對(duì)于氣溫變化比例為-47.99%～-9.96%的區(qū)域，ET平均減小比例由11.82%逐步擴(kuò)大到了18.93%，ET減小比例隨氣溫降低比例的減小而擴(kuò)大；氣溫減小比例由9.96%縮減到0的區(qū)域，其ET平均減小比例也逐步18.93%縮減為了10.72%，ET減小比例隨氣溫降低比例的減小而縮減。

表4 2001-2015年ET及其變化比例與覆蓋度、氣溫和降水量及其變化比例的相關(guān)系數(shù)

ET作為地表熱量平衡及水分循環(huán)的重要分量，鏈接了地球水圈、大氣圈和生物圈[25-26]，需要大氣、植被及土壤等環(huán)境要素的參與。伊犁河谷地處天山山脈，河谷內(nèi)植被及氣候垂直分異特征明顯，草地分布由低海拔區(qū)的荒漠草地向中高海拔區(qū)的溫性草原以及高海拔區(qū)的山地草甸和高寒草甸逐步演變[23]，降水隨海拔增加由250 mm增高到860 mm(圖5A)，氣溫則由12℃逐步降低到-10℃(圖6A)，海拔較低的區(qū)域雖然溫度較高，但降水較少，降水是植被生長(zhǎng)的重要限制因子，而在高海拔區(qū)，降水雖然相對(duì)豐富，但氣溫較低，氣溫成為限制植被生長(zhǎng)的重要因子。同時(shí)河谷河流及山脈縱橫交錯(cuò)，分布有山間盆地、沖積平原、丘陵及高山等多種地形地貌，復(fù)雜的地形使植被和氣候的空間分布在垂直分異規(guī)律的基質(zhì)上表現(xiàn)出復(fù)雜且多樣的局地特性，ET及其變化也隨之呈現(xiàn)明顯而復(fù)雜的空間差異。上文分析中不同覆蓋度、氣溫及降水量取值范圍內(nèi)ET所存在的不同甚至相反的變化趨勢(shì)也正是復(fù)雜地形控制下的氣候、植被及其他環(huán)境要素配置在空間上的異質(zhì)性所支配的水分循環(huán)復(fù)雜性的體現(xiàn)。

5 結(jié) 論

(1) 伊犁河谷草地ET近15 a平均值為394.57 mm，其中43.21%區(qū)域ET位于400～500 mm，空間上，ET隨海拔分異明顯，呈現(xiàn)由山前洪積沖積扇區(qū)向高山區(qū)逐步增加的總體變化。

(2) 15 a內(nèi)伊犁河谷草地平均ET逐步降低，由2001—2005年時(shí)段的427.26 mm降低到了2011—2015年時(shí)段的361.27 mm，降低了11.06%；ET位于300～400 mm的面積明顯增加，而ET位于500～600 mm的面積明顯減少。

(3) 差值分析表明，伊犁河谷98.07%草地ET發(fā)生不同程度的減少，其中51.82%的ET降低比例在10%～20%之間，主要分布在喀什河下游和伊犁河河谷兩側(cè)的洪積平原和低山區(qū)；2011—2015年時(shí)段ET變化在空間上發(fā)生較大變化，山前洪積沖積扇區(qū)及低山丘陵區(qū)ET減少比例明顯縮減甚至變?yōu)樵黾?，而中山和高山區(qū)域ET則減少比例擴(kuò)大甚至由增加變?yōu)闇p少。

(4) 植被覆蓋度、降水及氣溫的降低均構(gòu)成了伊犁河谷草地ET降低的驅(qū)動(dòng)因素，但植被覆蓋度是決定伊犁河谷草地ET空間分布及時(shí)空變化的關(guān)鍵因素，降水對(duì)草地ET空間分布及變化的影響高于氣溫；同時(shí)，由于復(fù)雜地形控制下的植被及氣候條件配比的復(fù)雜性，不僅在空間分布上ET與降水和氣溫的相關(guān)性存在空間差異，而且在時(shí)空變化上ET變化與氣溫及降水變化的相關(guān)性也存在明顯且多樣的空間差異。